功能磁共振成像原理簡介課件

1、第一部分 功能磁共振成像的背景知識(shí)1 解題功能？（核）磁？共振？成像？功能磁共振成像（fMRI）是眾多腦成像技術(shù)中的一種，其他成像技術(shù)有近紅外光學(xué)成像（fNIRS）與彌散張量成像（DTI）等。1.1 功能核磁共振產(chǎn)生的兩種圖像：（1）結(jié)構(gòu)像（2）功能像腦的基本組分：灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液灰質(zhì)白質(zhì)腦脊液1.2 （核）磁（核）磁無放射常見問題：功能磁共振成像對(duì)人體有害嗎？你看，不是有“核”嗎？！確實(shí)，“核”指“原子核”所言不虛，但功能磁共振成像只與原子核的磁場(chǎng)相關(guān)，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無關(guān)系。1.3 共振定義：能量從一個(gè)振動(dòng)著的物體傳遞到另一個(gè)物體，而后者以前者相同的頻率振動(dòng)。1.4 成像

2、結(jié)構(gòu)像的成像原理與功能像的成像原理基本相同。前者是對(duì)大腦內(nèi)各組分中特定原子核（如氫原子）的磁共振信號(hào)的收集。后者則是對(duì)BOLD信號(hào)的采集。因此有必要分說兩種圖像的成像機(jī)制。2 fMRI的主要特點(diǎn)空間分辨率相對(duì)較高定位時(shí)間分辨率不如ERP（事件相關(guān)電位，俗稱“腦電”）3 fMRI的發(fā)展歷史1920-1940：基本物理概念的建立1946-1950s：核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用（非生物上的應(yīng)用）1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像）1980s：磁共振成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)（結(jié)構(gòu)像）1990s：功能磁共振成像-fMRI（功能像）3.1 基本物理概念的建立1924.Wolfgang Pauli被激活的原子

3、出現(xiàn)譜線分離：原子核在離散的頻率上自旋。1937.Inidor Rabi發(fā)現(xiàn)共振：如果外加變化磁場(chǎng)的頻率與原子核自旋一致，原子核就會(huì)吸收磁場(chǎng)的能量。3.2 對(duì)固體的磁共振成像研究 1946.Bloch 和 Purcell蠟的導(dǎo)電性研究自此，核磁共振成像技術(shù)進(jìn)入物質(zhì)成分檢測(cè)的階段。3.3 1970s：利用NMR原理進(jìn)行成像（生物體上）Paul Lauterbur：空間梯度的概念（定位）Peter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念解決了快速成像的問題。3.4 1980s以降1980s：MRI儀器商品化，廣泛應(yīng)用于臨床。注意：1977. 第一臺(tái)掃人的MR掃描儀

4、問世（0.05T）。1990s：fMRI技術(shù)誕生。注意：1990: Ogawa報(bào)告了大腦皮層微血管（毛細(xì)血管）中血氧的變化，會(huì)引起局部磁場(chǎng)均勻性變化，從而引起NMR信號(hào)強(qiáng)度的變化，稱血氧水平依賴性（BOLD）。趣聞：為了更好地推廣fMRI技術(shù)，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)逐漸刪去“核”（字母“N”）以免除病人對(duì)“核放射”的恐懼。4 fMRI設(shè)備的構(gòu)成目前在市場(chǎng)上購買一套fMRI設(shè)備需要多少人民幣？設(shè)備構(gòu)成：（1）主磁體 (Static Magnetic Field)磁化（2）射頻系統(tǒng) (Radiofrequency Coil)共振，激發(fā)與接收信號(hào)（3）梯度系統(tǒng) (Gradient Coil)定位（4）計(jì)算機(jī)系

5、統(tǒng)（5）其他輔助設(shè)備（空調(diào)、液氮及水冷卻系統(tǒng)、激光照相機(jī)、生理指標(biāo)監(jiān)視器等）掌握一個(gè)基本概念：磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度（B）主磁體的主要指標(biāo)北師大目前擁有的fMRI儀器主磁體的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度是3T。單位T讀作“特斯拉”。磁場(chǎng)的其他單位：高斯（gauss, G）： 1高斯為距離5安培電流的直導(dǎo)線1厘米處檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G北極：0.7G，赤道：0.3G第二部分 功能磁共振成像的物理學(xué)原理1 原子的結(jié)構(gòu)原子電子原子核質(zhì)子中子2 原子核的自旋原子核像地球一樣可以圍繞著中軸進(jìn)行自我旋轉(zhuǎn)。我們選用H原子（H質(zhì)子）（1）H原子的質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)；（2）H原子占人體原子的絕大

6、多數(shù), 水和脂肪。通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。通常情況下，盡管每個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。3 靜磁場(chǎng)中的原子自旋加入一個(gè)靜磁場(chǎng)之后的原子自旋狀態(tài)。能態(tài)哪一塊物體更容易保持？4 原子的進(jìn)動(dòng)頻率原子的自旋與進(jìn)動(dòng)縱向磁化與橫向磁化（1）處于低能狀態(tài)的質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量兩者之間的差產(chǎn)生縱向磁化。（2）盡管每個(gè)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。5 核磁共振的微觀與宏觀效應(yīng)能態(tài)的躍遷通過外來射頻給低能的氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子獲

7、得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，即核磁共振。射頻取消，氫質(zhì)子回到低能狀態(tài)。5.1 微觀效應(yīng)磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來引發(fā)的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同，低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)。5.2 宏觀效應(yīng)射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)。射頻脈沖的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間決定射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)。低能量中等能量(90脈沖)高能量(180脈沖)6 馳豫與馳豫時(shí)間“出來混，遲早要還的！”橫向弛豫: 橫向磁化矢量減少,直至到0狀態(tài)的過程。 縱向弛豫: 縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。“縱向馳豫時(shí)間”（T1）：90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)的作用下，縱

8、向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度63%所需的時(shí)間，反映組織T1弛豫的快慢?！皺M向馳豫時(shí)間”（T2）：指90度脈沖關(guān)閉后，橫向最大磁化矢量減少了63%所需的時(shí)間，反映組織T2弛豫的快慢。弛豫時(shí)間與質(zhì)子密度有關(guān)！6.1 縱向馳豫時(shí)間T16.2 橫向弛豫時(shí)間T26.3 T1與T2的比較T1T26.4 加權(quán)成像比一比T1像T2像T1縱向磁化矢量恢復(fù)速度MR信號(hào)強(qiáng)度顏色小快高白大慢低黑T2橫向磁化矢量減少速度MR信號(hào)強(qiáng)度顏色小快低黑大慢高白7 重復(fù)時(shí)間（TR）與回波延時(shí)時(shí)間（TE）TR：連續(xù)施加兩個(gè)90度脈沖之間的時(shí)間間隔。TE：射頻脈沖停止后等待一小段時(shí)間接受信號(hào)，這個(gè)時(shí)間間隔就是

9、TE。TRMz0t7.1 T1與TR、T2與TE的關(guān)系T1與T2是組織的固有特性，而TR和TE可以被操作者控制和調(diào)整。長TR減少T1的作用，短TR增加T1的對(duì)比。短TE減少T2的作用，長TE增加T2的對(duì)比。加權(quán)成像中TR與TE的配列很重要！8 脈沖序列在MR檢查中反復(fù)施加的射頻脈沖序列，其中包括了TR或TE等參數(shù)。9 層厚的選擇基本概念：像素（pixel）、體素（體元，voxel）層厚的選擇與梯度場(chǎng)強(qiáng)和射頻帶寬有關(guān)。公式：層厚=帶寬/梯度場(chǎng)強(qiáng)確定層厚之后就可進(jìn)行選片。10 傅立葉變換一種數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)在時(shí)間域和頻率域中進(jìn)行等效變換。時(shí)域呈現(xiàn)的是“圖像空間”（image space），而

10、頻域呈現(xiàn)的是“k空間”（k-space）。11 頻率編碼與相位編碼頻率編碼：即進(jìn)動(dòng)頻率編碼，指在信號(hào)采集的同時(shí)在某方向上施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)，從而使得此片層的信號(hào)中沿頻率編碼施加的方向上各列的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率各不相同。接收到的總頻率成分信號(hào)可以通過傅立葉變換來加以區(qū)分，從而得到各列的進(jìn)動(dòng)頻率。相位編碼：指在射頻脈沖結(jié)束以后，信號(hào)采集之前，沿某方向施加一段時(shí)間的梯度磁場(chǎng)，使得在相位編碼結(jié)束以后沿相位編碼方向上各象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的原子核磁化矢量的進(jìn)動(dòng)相位各不相同。因此，k-space中的每一個(gè)像素都是由頻率和相位進(jìn)行編碼的！12 圖像重構(gòu)k-space的信息即為rawdata。將rawdata通過傅立葉反變換

11、來還原到image-space中，形成我們想要得到的結(jié)構(gòu)像。成像時(shí)間的問題：脈沖序列的類型關(guān)系到成像時(shí)間的久暫。13 小結(jié)原子核自旋原子核進(jìn)動(dòng)頻率共振射頻線圈根據(jù)一定的脈沖序列激發(fā)與接收信號(hào)脈沖序列與組分的弛豫時(shí)間和人為選擇的TR、TE有關(guān)確定層厚后進(jìn)行掃描將掃描得到的信號(hào)（k-space中，已經(jīng)得到了頻率和相位的編碼）進(jìn)行傅立葉反變換，重構(gòu)圖像。第三部分 功能磁共振成像的生物學(xué)原理1 觀測(cè)大腦的三個(gè)基本位置軸位冠狀位矢狀位2 大腦的分葉3 腦內(nèi)毛細(xì)血管與血紅蛋白毛細(xì)血管運(yùn)輸?shù)难t細(xì)胞中含有血紅蛋白。帶氧分子的血紅蛋白稱為“氧合血紅蛋白”（Hb），不帶的則稱為“脫氧血紅蛋白”（dHb）。氧合血

12、紅蛋白磁化率低，具抗磁性(磁場(chǎng)）脫氧血紅蛋白磁化率高, 具順磁性 (磁場(chǎng)）4 BOLD信號(hào)血氧過補(bǔ)償血氧（Hb）水平, 順磁性dHb, 形成局部梯度磁場(chǎng) , T2* WI局域性信號(hào)強(qiáng)度，這就是BOLD效應(yīng)。BOLD信號(hào)依賴于CMR O2（氧耗）、CBF（血流量）和CBV（血容積）HRFTimeStimulus onsetinitial dipHemodynamic Response Functionundershoottime to peak5-8 secondsscan time 3 secondsBOLD signal amplitudeoxyHBdeoxyHBObserved siteof BOLD effectSite of elevated neuronal activity定位情況5 小結(jié)根據(jù)血氧過補(bǔ)償機(jī)制可以接收到BOLD信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理（預(yù)處理+統(tǒng)計(jì)分析），我們可以看到腦內(nèi)激活的區(qū)域，是為激活區(qū)功能像。將功能像疊加到結(jié)構(gòu)像上就形成了我們一開始看到的腦成